Anthropomorphic foot mock-up, to assess the trauma safety of the crew of auto armored vehicles with mine explosion

Full Text

Введение Нижняя часть ног (колени, голень, стопа) водителя и пассажиров специально защищенных автомобилей, а также экипажа АБТ (автобронетанковой техники) является одной из уязвимых частей тела при минно-взрывном воздействии, направленном при подрыве под колесом (гусеницей) или под днищем транспортных средств. Тщательный учет потерь армии США (как с летальным, так и нелетальным исходом) позволил сформировать статистические данные о ранениях частей тела (рис. 1) [1]. По данным газеты Washington Post [2] 2/3 смертей контингента войск США, размещенных в Ираке и Афганистане, приходится на взрывы от СВУ (Самодельных взрывных устройств). Оуэнc [3] изучил историю болезни 1566 военнослужащих, участвовавших в операциях «Иракская свобода» и «Несокрушимая свобода» и получивших 6,609 ранений. Он определил, что чаще всего происходили переломы голени, реже - переломы бедра и стопы (табл. 1). Более 75% переломов были открытыми. Таким образом, защита ног при минно-взрывном воздействии является одной из актуальных задач на сегодняшний день. Рис. 1. Распределение ранений военнослужащих США по частям тела с 1941 г. по 2013 г. Таблица 1 Процентное отношение травм бедра, лодыжки и стопы военнослужащих США, участвовавших в операциях «Иракская свобода» и «Несокрушимая свобода» Переломы Процентное отношение от общего количества переломов нижних конечностей Процентное отношение открытых переломов Бедро 27% 87% Лодыжка 48% 79% Стопа 25% 76% Цель исследования Для оценки эффективности мероприятий по защите ног необходимы объективные данные по динамическому воздействию со стороны пола при подрыве изделия на мине. В настоящее время в качестве критерия травмобезопасности ног используется критерий пиковых осевых усилий, возникающих в голени ноги антропоморфного измерительного манекена Hybrid 3. При использовании стандартной ноги критическим значением является значение 5,4 кН, измеренное в нижнем тензодатчике, при использовании «военной» ноги Mil-LX критическое значение - 2,6 кН, измеренное в верхнем тензодатчике. Другим возможным критерием травмобезопасности является скорость удара днища (или пола) АБТ по ногам в момент подрыва. Критическое значение скорости удара было выбрано из многократно проверенной безопасной скорости удара ног о землю при приземлении на аварийном парашюте. Допустимая скорость приземления [4] равняется 8,5 м/с, при этом суммарная потерянная скорость за счет отскока будет значительно больше, что идет в некоторый запас по травмобезопасности. Антропоморфные измерительные манекены - сложные и дорогостоящие технические средства измерения, требующие постоянного обслуживания (тарировка как отдельно датчиков, так и частей манекена). Использование манекенов является трудоемким процессом, связанным с предварительной проверкой всех каналов датчиков до испытания, использования специального программного обеспечения для измерения во время подрыва, а также обработка сигналов датчиков после испытания с выдачей результатов относительно травмобезопасности транспортного средства. Сами испытания на подрыв весьма дорогостоящие и к тому же обычно достаточно сильно разрушают испытываемый объект, что исключает возможность проводить повторные эксперименты. Кроме того, часто проводится подрыв части конструкции, например, фрагмента днища. Использование манекенов при таких испытаниях невозможно в силу высокой вероятности повреждения или уничтожения указанного дорогостоящего оборудования. Число манекенов, как правило, весьма ограничено, а требуется получить данные о перегрузках на разных участках днища изделия. Решение задач определения травмобезопасности ног экипажа автобронетанковой техники при минно-взрывном воздействии В силу вышесказанного возникла проблема разработки простого и дешевого антропоморфного макета ноги, позволяющего определить травмобезопасность в следствии оценки скорости удара. Указанный макет ноги был рассчитан, разработан и испытан [5, 6]. Рис. 2. Антропоморфный макет ноги (а), весовой цилиндр (б), пружина (в), несущий модуль М2А-02 с адаптером-втулкой М3А-01(г), стопа протеза модель 723/8 (д), датчик хода (е), втулка (ж) Для большего соответствия антропоморфным данным человека было решено разработать макет ноги, измеряющий осевое усилие в голени. В качестве ступни была использована стопа протеза человеческой ноги, энергосберегающая, рассчитанная на массу человека до 100 кг, размером 27, правая (и левая), модель 723/8. Внешний вид антропоморфного макета ноги, закрепленной на испытательном стенде сброса, представлен на рис. 2а. Весовой цилиндр (рис. 2б) имитирует недостающую массу голени и половину массы бедра. Пружина, изображенная на рис. 2в, предназначена для измерения усилия, возникающего в голени при ударе. Нога состоит из несущего модуля М2А-02 с адаптером-втулкой М3А-01 (рис. 2г) и стопы модели 723/8 (рис. 2д). Измерение перемещения осуществляется за счет специального датчика, представленного на рис. 2е. Датчик хода крепится через резьбовое соединение на втулке (рис. 2ж), которая в свою очередь устанавливается в несущий модуль М2А-02. Жесткость пружины была измерена на учебной универсальной испытательной машине «Механические испытания материалов» и составляет 136,4 Н/мм (рис. 3). Рис. 3. Измерение жесткости пружины Антропоморфный макет ноги устанавливается в испытуемый образец АБТ на пол в районе рабочего места, где расположены ноги экипажа. Несущий модуль М2А-02 с адаптером-втулкой М3А-01 прикручивается на установочное место к стопе четырьмя винтами. На несущий модуль одевается пружина. К весовому цилиндру через шпильку прикручивается втулка, к которой в свою очередь прикручивается датчик хода. Втулка вместе с датчиком и весовым цилиндром устанавливается в несущий модуль до касания весового цилиндра пружины. Предварительно датчик перемещения вытягивается на длину большую, чем необходимо для соприкосновения со специальной площадкой, расположенной на стопе. Далее весовой цилиндр вместе с втулкой и датчиком аккуратно извлекается, и производится замер длины датчика. После испытаний длина датчика снова измеряется. Разница между показаниями является максимальной величиной сжатия пружины. После измерения сжатия пружины рассчитывается максимальное осевое усилие. Схема измерения усилия в антропоморфном макете ноги представлена на рис. 4. Рис. 4. Схема измерения усилия в антропоморфном макете ноги Распределение веса конструкции ноги представлено в табл. 2. Таблица 2 Вес элементов конструкции Элемент конструкции Количество Вес (г) Цилиндр весовой 1 7110 Втулка 1 394 Датчик 1 6 Пружина 1 908 Стопа 1 642 Трубка 1 174 Суммарный вес 9234 г Перед проведением испытаний подрывом антропоморфный макет ноги был испытан путем сбрасывания. Всего было проведено 3 серии испытаний при сбросе с разных высот при скорости соударения 3 … 7 м/с на 2 типа поверхности: жесткую поверхность (стальная пластина толщиной 8 мм) и мягкую (ящик с просеянным песком). В первой серии испытаний было произведено 32 сброса, во второй - 46, а в третьей - 43. В первой серии испытаний измерялась высота сброса, высота отскока (по скоростной видеосъемке и мерной линейке), а также максимальное сжатие в пружине. Во второй серии дополнительно было установлено 2 датчика ускорения (общий вид установки датчиков представлен на рис. 5а, общий вид при сбросе в ботинке представлен на рис. 5б: емкостной датчик АТ 1105-100 (рис. 5в) установлен на весовом цилиндре, имитирующем недостающую массу голени и половину массы бедра, пьезоэлектрический датчик «ВиК» 4368 установлен на стопе, как показано на рис. 5г. Рис. 5. Установка датчиков: а - в антропоморфный макет ноги; б - в антропоморфный макет ноги при сбросе в ботинке; в - емкостного датчика АТ 1105-100 на весовом цилиндре; г - пьезоэлектрического датчика «ВиК» 4368 на стопе Третья серия испытаний проводилась аналогично второй. Однако дополнительно было установлено 2 датчика ускорения другой марки: датчик АП 31 № 2014 («Глобал тест», Саров) (рис. 6а) - на весовом цилиндре, имитирующем недостающую массу голени и половину массы бедра, датчик АП 31 № 2011 («Глобал тест», Саров) - на стопе, как показано на рис. 6б. Для регистрации сигнала используется усилитель СА-2614 № 4906 («Центр АЦП», Москва), АЦП Е-14-440 («L-card», Москва), а также ноутбук с установленным специальным программным обеспечением. Рис. 6. Внешний вид антропоморфного макета ноги с подключенными датчиками Схема испытаний представлена на рис. 7. Рис. 7. Схема испытаний антропоморфного макета ноги В табл. 3 приведены результаты третьей серии испытаний. Таблица 3 Результаты испытаний третьей серии сброса антропоморфного макета ноги Результаты сброса антропоморфного макета ноги № Сброса Высота сброса (м) Поверхность Объект испытания Показания датчика (мм) Усилие в пружине (кг) Скорость падения (м/с) Внедрение (см) Высота отскока (м) Скорость отскока (м/с) Суммарная скорость (м/с) 1 0,46 Песок Модель ноги 10 139,0 3 0,4 0,07 1,2 4,2 2 0,46 Песок Модель ноги 10 139,0 3 0,4 0,08 1,3 4,3 3 0,46 Песок Модель ноги 14 194,7 3 0,5 0,08 1,3 4,3 4 0,82 Песок Модель ноги 17 236,4 4 0,6 0,13 2,0 6 5 0,82 Песок Модель ноги 18 250,3 4 0,6 0,18 2,3 6,3 6 0,82 Песок Модель ноги 17 236,4 4 0,6 0,17 2,3 6,3 7 1,27 Песок Модель ноги 26 361,5 5 0,8 0,29 3,0 8 8 1,27 Песок Модель ноги 18 250,3 5 0,7 0,16 2,2 7,2 9 1,27 Песок Модель ноги 25 347,6 5 0,7 0,18 2,3 7,3 11 1,84 Песок Модель ноги 29 403,2 6 0,9 0,45 3,7 9,7 12 1,84 Песок Модель ноги 16 222,5 6 0,8 0,16 2,2 8,2 13 2,5 Песок Модель ноги 34 472,7 7 1,5 0,58 4,1 11,1 14 2,5 Песок Модель ноги 30 417,1 7 1,5 0,44 3,6 10,6 15 2,5 Песок Модель ноги 33 458,8 7 1,6 0,51 3,9 10,9 16 0,46 Сталь А3 8 мм Модель ноги 10 139,0 3 - 0,08 1,5 4,5 17 0,46 Сталь А3 8 мм Модель ноги 5 69,5 3 - 0,12 1,9 4,9 18 0,46 Сталь А3 8 мм Модель ноги 5 69,5 3 - 0,13 2,0 5 19 0,82 Сталь А3 8 мм Модель ноги 13 180,8 4 - 0,12 1,9 5,9 20 0,82 Сталь А3 8 мм Модель ноги 12 166,9 4 - 0,12 1,9 5,9 21 0,82 Сталь А3 8 мм Модель ноги 12 166,9 4 - 0,09 1,7 5,7 22 1,27 Сталь А3 8 мм Модель ноги 19 264,2 5 - 0,16 2,2 7,2 23 1,27 Сталь А3 8 мм Модель ноги 20 278,1 5 - 0,21 2,5 7,5 24 1,27 Сталь А3 8 мм Модель ноги 19 264,2 5 - 0,28 2,9 7,9 25 1,84 Сталь А3 8 мм Модель ноги 27 375,4 6 - 0,23 2,6 8,6 26 1,84 Сталь А3 8 мм Модель ноги 25 347,6 6 - 0,22 2,5 8,5 27 1,84 Сталь А3 8 мм Модель ноги 27 375,4 6 - 0,24 2,7 8,7 28 2,5 Сталь А3 8 мм Модель ноги 37 514,5 7 - 0,47 3,7 10,7 29 2,5 Сталь А3 8 мм Модель ноги 32 444,9 7 - 0,42 3,5 10,5 30 2,5 Сталь А3 8 мм Модель ноги 32 444,9 7 - 0,36 3,3 10,3 31 0,46 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 19 264,2 3 - 0,21 2,5 5,5 32 0,46 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 19 264,2 3 - 0,24 2,7 5,7 33 0,82 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 23 319,8 4 - 0,37 3,3 7,3 34 1,27 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 29 403,2 5 - 0,56 4,0 9 35 1,84 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 34 472,7 6 - 0,70 4,5 10,5 36 1,84 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 34 472,7 6 - 0,75 4,7 10,7 37 2,5 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 50 695,2 7 - 0,87 5,0 12 38 2,5 Сталь А3 8 мм Модель ноги в ботинке 47 653,5 7 - 0,94 5,3 12,3 39 0,46 Песок Модель ноги в ботинке 20 278,1 3 0,3 0,21 2,5 5,5 40 0,82 Песок Модель ноги в ботинке 21 292,0 4 0,4 0,28 2,9 6,9 41 1,27 Песок Модель ноги в ботинке 28 389,3 5 0,4 0,46 3,7 8,7 42 1,84 Песок Модель ноги в ботинке 33 458,8 6 0,4 0,69 4,5 10,5 43 2,5 Песок Модель ноги в ботинке 45 625,7 7 0,4 0,8 4,9 11,9 На рис. 8 представлены примеры типичных графиков перегрузки, зарегистрированных на стопе и на весовом цилиндре при сбросе антропоморфного макета ноги. После проведения стендовых испытаний антропоморфные макеты ног были использованы для оценки уровня защищенности от минно-взрывного воздействия на макете днища специального защищенного гражданского автомобиля. Проведенные испытания с замерами усилий в ногах показали, что мероприятия по противоминной защите обеспечивают требования по травмобезопасности экипажа для уровня минно-взрывного воздействия заданного в техническом задании на изделие. Установка макетов ног показана на рис. 9. а) б) Рис. 8. Перегрузка на стопе (а) и на весовом цилиндре (б) при сбросе № 9, высота сброса 1,27 м на песок, класс частоты фильтра 300 Заключение Таким образом, был рассчитан, разработан, изготовлен и тарирован антропоморфный макет ноги, являющийся альтернативой ногам антропоморфного измерительного манекена Hybrid 3 и ноге Mil-LX при определении травмобезопасности ноги при минно-взрывном воздействии. Такой простой и недорогой измерительный прибор может использоваться как совместно с антропоморфными измерительными манекенами для обеспечения дублирования измерений осевых усилий при испытаниях, так и отдельно для получения данных о травмобезопасности на нескольких или всех рабочих местах. Рис. 9. Установка антропоморфных макетов ног в специальный защищенный автомобиль

About the authors

E. V Gavrilov

Moscow Polytechnic University

Email: andhover@mail.ru

References

Supplementary files